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摘要：针对大型粮库粮食存储环境监测点分散的现状，设计一种树状拓扑结构的无线传感器网络中央监测系统。该系统以ZigBee无线传输技术为核心，结合温湿度传感器模块，构成无线传感器网络检测子节点。系统能够对现场环境实时检测，同时通过路由节点将检测到的数据上传给上位机，其中路由节点采用无线传输方式与终端节点进行通讯，使得现场检测到的数据能够实时传送给中央监控计算机，最终实现粮库内部的多点检测及和实时监控。
关键词：传感器；粮库；检测；ZigBee技术
中图分类号：TM46文献标识码：A
1引言
粮食的安全存储是关系到国计民生的战略大事，科学保粮具有重要的社会意义与经济价值。目前进行粮库温度和湿度测试的方式有下面两种：第一种就是人手持温湿度测试仪器对粮库进行人工检测，这种方法费时费力，而且效果并不好。第二种：通过仪器采集数据后通过有线传输，这种方法投入大，而且设计繁琐以及施工难度极大[1][2]。针对大型粮库分布广、储量大，粮库的管理和监测难度大等不足的特点，本文提出了一种基于ZigBee的无线传输粮库温湿度监测系统，该系统采用基于ZigBee无线传感器网络来监测粮库温湿度，其具有以下优点，第一低成本，低功耗，硬件简单，安全可靠，可以随时的增加和删除节点。第二：本系统为无线数据传输不易破坏，易维修，减少了工作人员的工作量。
2粮库检测系统实现
根据粮库设施的布局特点，粮库检测系统的无线网络拓扑采用树状拓扑结构，设计框图如图1所示。
图1所示的系统结构组成由一个终端服务节点和多个监测节点构成，其中无线传感器节点主要完成对粮库环境温湿度参数的采集、处理和发送。终端服务节点是用来接收无线传感器节点数据，同时与PC机进行实时通讯。无线传感器网络由许多个小型的节点所构成，以这些工作节点为依托，通过无线通信组成各种网络拓扑结构。为了降低成本，本系统中大部分的节点为子节点。从组网通信上看，它们只是其功能的一个子集，称为精简功能设备（RFD）。终端服务节点和传感器节点之间的通信采用无线传输网络ZigBee2007/PRO实现通信。ZigBee2007/PRO是一种中短距离、低速率无线传感器网络，而且射频传输成本低，各节点只需要很少的能量，功耗小适于电池长期供电，可实现一点对多点、两点间对等通信、快速组网、自动恢复和高级电源管理，任意传感器之间可相互协调实现数据通信[3]。
3粮库检测系统的硬件设计
3.1传感器监测节点设计
传感器监测节点主要功能是采集粮库温湿度数据，最终将数据传送给PC。它由传感器模块、处理模块、传输模块和能量供应模块四个部分组成，如图2所示。
传感器模块采用的是数字温湿度传感器DHT11[4]，该器件主要特点如下：（1）高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上。（2）提供单线双向数据传输功能，DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右，数据分为小数部分和整数部分。它与MSP430G2553[5]的连接如图3所示。
无线传输模块采用的是射频收发器CC2530，它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点[6]。CC2530模块工作原理电路如图4所示，它的外围设计电路主要包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三部分。3.2路由节点设计
路由节点设计框图如图5所示，它主要由射频收发器、无线耦合和匹配模块和LED显示模块等模块组成。路由节点是整个监测系统中局部监测群体的核心节点，起到监测节点与终端节点的路由作用。路由节点受终端节点的指挥和呼唤，起到上传下达的作用。
3.3终端监测节点设计
终端监测节点模块是整个监测系统通讯和控制核心，CC2530通过USB转串口芯片（PL2303）与计算机相连，实现了整个系统的可控性和可视性，所有路由节点和部分的监测节点的数据均通过终端节点与计算机进行数据交换，实现整个系统的中央监测与调节。终端监测节点设计采用ZigBee产品CC2530芯片终端节点设计框图如图6所示[7]。
4粮库检测系统的软件程序设计
4.1终端节点程序设计
终端节点程序设计主要由主程序、数据循环采集及数据传输程序以及中断服务程序等组成。终端节点主程序是以主动的方式按照固定顺序周而复始地呼唤路由节点而取得数据，而路由器以中断的方式应答中心节点从而分组传输数据（采集不同传感器节点数据）。终端节点通过发送路由地址来连接路由节点，并接收其数据。其主程序如图7所示。
4.2传感器节点程序设计
传感器节点主程序主要是读取传感器的状态参数和数据，通过运算后存储。传感器节点主程序框图如图8所示。传感器DHT11根据MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，采集数据后校验数据是否正确，校验正确则执行数据处理过程，否则继续采集数据。异常处理情况一般通过传感器是否响应来判断[8]。
5实验结果及分析
基于ZigBee技术的大型粮库监测系统的设计，是在进行了多次实验的基础上，结合ZigBee协议栈的自组网络技术来完成的。该系统通过3个传感器监测节点、1个路由节点、1个终端节点和1台计算机在岳阳城陵矶粮库中完成了测试。传感器节点采用5V电池供电。本系统经过测试，达到以下几个技术指标：
1）温度测量范围为0～50℃，测量精度达到了±2℃，分辨率达到了1℃；
2）湿度测量范围为20～90%RH，测量精度达到了±5%RH，分辨率达到了1%RH； 3）ZigBee无线传输距离最远达到了100米。
在测试现场温度为22.5℃，湿度为35%RH的情况下，无线ZigBee的传输距离为100米，计算机能够实时的通过串口助手显示温度与湿度的数值。
6结论
本文针对传统的粮库测量温湿度的方法的不足，提出了并设计了基于ZigBee的粮库无线温湿度监测系统。相比较传统的粮库检测系统，本系统具有以下优点：①可随时增加和删除节点。相比较传统的RS485或CAN等现场总线的方式，这在很大程度上避免大量布线的麻烦。②维护方便、成本低。基于ZigBee网无线传感节点的设计在粮食进出粮库时监测网络不易破坏，从而大大降低了平时的维护费用，而传统布线方式的电缆线容易遭受雷击等小动物的损害，维修起来十分困难。③拓性好、可靠性高、转移方便。基于ZigBee网的节点设计是由无线传感器构成的，这使得整个系统在转移和拓展方面有很大的优势，而且单节点构成的网络系统可靠性高。这些都是传统方式所不具备的。④人性化、智能化和科技化。基于ZigBee网的温湿度监控系统可以使用户随时随地不需要安装任何软件都可通过计算机查看现场数据，其形式可以是数据、文字、表格、图像或语音，信息可以实时、自动更新。管理员可以通过查看系统的实时状态，有针对性地对嵌入式系统进行远程监测、控制、诊断和配置等操作。
参考文献
[1]谭乃厚.基于ZigBee与嵌入式Web的粮库温湿度监测系统的研究[D].武汉：武汉理工大学硕士学位论文，2009.
[2]包长春，李志红，张立山，等. 基于ZigBee 技术的粮库监测系统设计[J]. 农业工程学报，2009，25（9）：197-201.
[3]刘翔.基于嵌入式ZigBee大型粮库温湿度监测系统的研究与设计[J].湖南理工学院.
[4]周建民，尹洪妍，徐冬冬. 基于ZigBee 技术的温室环境监测系统[J].仪表技术与传感器，2011（9）：50-52.
[5]李新春，许驰. 基于WSN 的粮库环境监测系统[J]. 仪表技术与传感器，2012（7）：38-41.
[6]金晓龙. 基于ZigBee 的粮仓无线测温系统的设计[J]. 测控技术，2011，30（10）：44-47.
[7]石伟.粮库温度智能检测系统研究[D].武汉：华中科技大学，2004.
关键词：传感器；粮库；检测；ZigBee技术
中图分类号：TM46文献标识码：A
1引言
粮食的安全存储是关系到国计民生的战略大事，科学保粮具有重要的社会意义与经济价值。目前进行粮库温度和湿度测试的方式有下面两种：第一种就是人手持温湿度测试仪器对粮库进行人工检测，这种方法费时费力，而且效果并不好。第二种：通过仪器采集数据后通过有线传输，这种方法投入大，而且设计繁琐以及施工难度极大[1][2]。针对大型粮库分布广、储量大，粮库的管理和监测难度大等不足的特点，本文提出了一种基于ZigBee的无线传输粮库温湿度监测系统，该系统采用基于ZigBee无线传感器网络来监测粮库温湿度，其具有以下优点，第一低成本，低功耗，硬件简单，安全可靠，可以随时的增加和删除节点。第二：本系统为无线数据传输不易破坏，易维修，减少了工作人员的工作量。
2粮库检测系统实现
根据粮库设施的布局特点，粮库检测系统的无线网络拓扑采用树状拓扑结构，设计框图如图1所示。
图1所示的系统结构组成由一个终端服务节点和多个监测节点构成，其中无线传感器节点主要完成对粮库环境温湿度参数的采集、处理和发送。终端服务节点是用来接收无线传感器节点数据，同时与PC机进行实时通讯。无线传感器网络由许多个小型的节点所构成，以这些工作节点为依托，通过无线通信组成各种网络拓扑结构。为了降低成本，本系统中大部分的节点为子节点。从组网通信上看，它们只是其功能的一个子集，称为精简功能设备（RFD）。终端服务节点和传感器节点之间的通信采用无线传输网络ZigBee2007/PRO实现通信。ZigBee2007/PRO是一种中短距离、低速率无线传感器网络，而且射频传输成本低，各节点只需要很少的能量，功耗小适于电池长期供电，可实现一点对多点、两点间对等通信、快速组网、自动恢复和高级电源管理，任意传感器之间可相互协调实现数据通信[3]。
3粮库检测系统的硬件设计
3.1传感器监测节点设计
传感器监测节点主要功能是采集粮库温湿度数据，最终将数据传送给PC。它由传感器模块、处理模块、传输模块和能量供应模块四个部分组成，如图2所示。
传感器模块采用的是数字温湿度传感器DHT11[4]，该器件主要特点如下：（1）高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上。（2）提供单线双向数据传输功能，DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右，数据分为小数部分和整数部分。它与MSP430G2553[5]的连接如图3所示。
无线传输模块采用的是射频收发器CC2530，它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点[6]。CC2530模块工作原理电路如图4所示，它的外围设计电路主要包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三部分。3.2路由节点设计
路由节点设计框图如图5所示，它主要由射频收发器、无线耦合和匹配模块和LED显示模块等模块组成。路由节点是整个监测系统中局部监测群体的核心节点，起到监测节点与终端节点的路由作用。路由节点受终端节点的指挥和呼唤，起到上传下达的作用。
3.3终端监测节点设计
终端监测节点模块是整个监测系统通讯和控制核心，CC2530通过USB转串口芯片（PL2303）与计算机相连，实现了整个系统的可控性和可视性，所有路由节点和部分的监测节点的数据均通过终端节点与计算机进行数据交换，实现整个系统的中央监测与调节。终端监测节点设计采用ZigBee产品CC2530芯片终端节点设计框图如图6所示[7]。
4粮库检测系统的软件程序设计
4.1终端节点程序设计
终端节点程序设计主要由主程序、数据循环采集及数据传输程序以及中断服务程序等组成。终端节点主程序是以主动的方式按照固定顺序周而复始地呼唤路由节点而取得数据，而路由器以中断的方式应答中心节点从而分组传输数据（采集不同传感器节点数据）。终端节点通过发送路由地址来连接路由节点，并接收其数据。其主程序如图7所示。
4.2传感器节点程序设计
传感器节点主程序主要是读取传感器的状态参数和数据，通过运算后存储。传感器节点主程序框图如图8所示。传感器DHT11根据MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，采集数据后校验数据是否正确，校验正确则执行数据处理过程，否则继续采集数据。异常处理情况一般通过传感器是否响应来判断[8]。
5实验结果及分析
基于ZigBee技术的大型粮库监测系统的设计，是在进行了多次实验的基础上，结合ZigBee协议栈的自组网络技术来完成的。该系统通过3个传感器监测节点、1个路由节点、1个终端节点和1台计算机在岳阳城陵矶粮库中完成了测试。传感器节点采用5V电池供电。本系统经过测试，达到以下几个技术指标：
1）温度测量范围为0～50℃，测量精度达到了±2℃，分辨率达到了1℃；
2）湿度测量范围为20～90%RH，测量精度达到了±5%RH，分辨率达到了1%RH； 3）ZigBee无线传输距离最远达到了100米。
在测试现场温度为22.5℃，湿度为35%RH的情况下，无线ZigBee的传输距离为100米，计算机能够实时的通过串口助手显示温度与湿度的数值。
6结论
本文针对传统的粮库测量温湿度的方法的不足，提出了并设计了基于ZigBee的粮库无线温湿度监测系统。相比较传统的粮库检测系统，本系统具有以下优点：①可随时增加和删除节点。相比较传统的RS485或CAN等现场总线的方式，这在很大程度上避免大量布线的麻烦。②维护方便、成本低。基于ZigBee网无线传感节点的设计在粮食进出粮库时监测网络不易破坏，从而大大降低了平时的维护费用，而传统布线方式的电缆线容易遭受雷击等小动物的损害，维修起来十分困难。③拓性好、可靠性高、转移方便。基于ZigBee网的节点设计是由无线传感器构成的，这使得整个系统在转移和拓展方面有很大的优势，而且单节点构成的网络系统可靠性高。这些都是传统方式所不具备的。④人性化、智能化和科技化。基于ZigBee网的温湿度监控系统可以使用户随时随地不需要安装任何软件都可通过计算机查看现场数据，其形式可以是数据、文字、表格、图像或语音，信息可以实时、自动更新。管理员可以通过查看系统的实时状态，有针对性地对嵌入式系统进行远程监测、控制、诊断和配置等操作。
参考文献
[1]谭乃厚.基于ZigBee与嵌入式Web的粮库温湿度监测系统的研究[D].武汉：武汉理工大学硕士学位论文，2009.
[2]包长春，李志红，张立山，等. 基于ZigBee 技术的粮库监测系统设计[J]. 农业工程学报，2009，25（9）：197-201.
[3]刘翔.基于嵌入式ZigBee大型粮库温湿度监测系统的研究与设计[J].湖南理工学院.
[4]周建民，尹洪妍，徐冬冬. 基于ZigBee 技术的温室环境监测系统[J].仪表技术与传感器，2011（9）：50-52.
[5]李新春，许驰. 基于WSN 的粮库环境监测系统[J]. 仪表技术与传感器，2012（7）：38-41.
[6]金晓龙. 基于ZigBee 的粮仓无线测温系统的设计[J]. 测控技术，2011，30（10）：44-47.
[7]石伟.粮库温度智能检测系统研究[D].武汉：华中科技大学，2004.